ST마이크로일렉트로닉스(STMicroelectronics, 이하 ST)가 보안, 로봇공학, 머신 비전 등 다양한 애플리케이션의 기준을 높이는 최신 5메가픽셀 이미지 센서 시리즈를 공식 출시했다.

이 시리즈는 ST BrightSense 포트폴리오의 일환으로 VB1943, VB5943, VD1943 및 VD5943 모델로 구성된다.

이 센서는 모노크롬 및 RGB-IR 버전으로 제공되며, 글로벌 셔터 및 롤링 셔터, 첨단 3D 적층 픽셀 아키텍처, 온칩 RGB-IR 분리 기능을 결합해 업계 최고의 성능과 다용성을 제공한다.

본 글에서는 이 센서 시리즈를 시장 판도를 바꾸는 진정한 제품으로 자리매김하게 한 핵심 혁신 기술들을 심층적으로 살펴본다.
 

■ 글로벌 셔터와 롤링 셔터 선택

○ 글로벌 셔터

제품 설계 초기 단계에서 엔지니어는 CMOS 이미지 센서를 선택할 때 글로벌 셔터 방식을 채택할지, 롤링 셔터 방식을 채택할지 결정해야 한다.

각 셔터 유형은 특정 픽셀 및 판독 아키텍처에 의존하기 때문에 지금까지 이미지 센서는 대부분 글로벌 셔터 또는 롤링 셔터 중 하나만 지원했다.

명칭에서 알 수 있듯이 글로벌 셔터는 센서 전체에서 빛을 동시에 캡처한 다음, 정보를 순차적으로 판독한다.

이를 위해서는 캡처한 데이터를 프로세서로 스트리밍하기 전에 메모리에 임시 저장하기 위해 회로와 픽셀 내 메모리를 추가해야 한다.

글로벌 셔터는 정밀성 및 일관성이 필요한 애플리케이션에 이상적인데, 움직임 및 조명 아티팩트에 영향받지 않으면서 전체 장면을 한 번에 캡처해 노출 중 움직임으로 발생하는 왜곡을 제거하기 때문이다.

하지만 이러한 장점에는 단점도 따른다.

글로벌 셔터는 추가된 픽셀 내 회로 때문에 판독 속도가 느리고, 전력 효율이 떨어지며, 빛 민감도가 더 낮은 경우가 많다.
   

○ 롤링 셔터

명칭에서 알 수 있듯이 롤링 셔터 센서는 이미지 센서를 한 번에 한 행 또는 몇 행씩 순차적 롤링 방식으로 노출한다.

각 행을 노출하는 동안 센서는 동시에 데이터를 처리하여 점진적으로 완전한 프레임을 구축한다.

이처럼 간단한 작업에는 글로벌 셔터에 필요한 추가 메모리와 회로가 없어도 되기 때문에 전력 소모를 줄이고 픽셀 감도를 높여준다.

각 픽셀의 표면적 중 더 많은 부분을 빛 캡처용으로 사용하기 때문에 일반적으로 롤링 셔터는 저조도 환경에서 더 우수한 화질을 제공한다.

이러한 이유로 롤링 셔터 CMOS 센서는 오늘날 대부분의 가전제품에 널리 사용되고 있다.

하지만 롤링 셔터는 전체 프레임을 동시 저장할 중간 메모리가 없어 왜곡 및 아티팩트가 발생하기 쉽다.

또한 모든 행을 순차적으로 노출하는 과정 전반에서 조명을 활성화한 상태를 유지해야 하며, 이로 인해 전체 조명 예산이 증가할 수 있다.
 

○ 두 기술의 장점 결합

듀얼 글로벌 및 롤링 셔터를 제공할 경우, 사용자는 두 기술의 장점을 모두 누릴 수 있다.

글로벌 셔터의 아티팩트가 발생하지 않는 이미지 캡처 그리고 롤링 셔터의 온칩 HDR(High Dynamic Range) 기반 고품질 이미지를 통해 향상된 탁월한 이미지 품질을 경험하게 된다.

작동 모드는 레지스터 설정을 통해 선택이 가능해 왜곡 없는 글로벌 셔터 캡처와 HDR 롤링 셔터 이미지를 프레임 간에 원활하게 전환할 수 있다.

두 셔터 모드를 결합하는 작업은 누구나 생각할 만한 개선책으로 보일 수 있지만 아키텍처상 엄청난 도전 과제가 따르는데, 이를 ST는 성공적으로 극복했다.

기존에는 글로벌 셔터 기능을 롤링 셔터 센서에 통합하려면 복잡한 하부 레이어 회로를 추가해야 했고, 이 경우 센서 크기와 비용 증가, 픽셀 감도 저하가 발생했다.

이로 인해 HDR 성능은 저하되고 노이즈가 증가하게 된다. ST는 단일 칩에 다수의 웨이퍼를 수직으로 적층하는 첨단 3D 스태킹 기술을 활용해 이러한 과제를 해결했으며, 일반적인 반대급부 없이 두 셔터의 강점을 결합한 센서를 구현해 냈다.

■ 3D 스태킹을 활용한 보다 스마트한 센서

○ 상단 웨이퍼

ST는 두 개의 웨이퍼를 기반으로 독창적인 아키텍처를 설계했다.

상단 웨이퍼는 65㎚ 프로세스 노드를 사용하며, 여기에는 2.25㎛ 픽셀과 스토리지 노드가 모두 포함돼 있다.

간단히 말해, ST는 실리콘에 수직 형태로 커패시터를 내장했는데, 딥 트렌치 아이솔레이션(DTI, Deep Trench Isolation) 또는 CDTI(Capacitive Deep Trench Isolation) 기술을 사용했다.

커패시터를 측면에 배치하여 기기의 크기가 커지는 방법 대신, 실리콘 레이어에 깊고 좁은 트렌치를 형성하여 픽셀 사이에 커패시터를 샌드위치 형태로 배치했으며, 전층 깊이의 딥 트렌치 절연 기술로 크로스톡을 방지한다.

결과적으로 글로벌 셔터 모드와 호환되는 아키텍처를 설계하는 동시에 더 큰 픽셀을 개발할 수 있었다.
 

○ 하단 웨이퍼

하단 웨이퍼는 40㎚ 공정 노드를 사용하며, 여기에는 디지털 및 아날로그 회로가 모두 포함돼 있다.

이 방식은 해당 로직이 방해되지 않기 때문에 픽셀 레이어가 더 많은 빛을 캡처할 수 있다.

ST가 기기의 전체 크기를 키우거나 가격을 올리지 않고도 5메가픽셀의 해상도를 제공할 수 있는 이유이기도 하다.

사실 이 듀얼 웨이퍼 방식은 ST의 유럽 소재 300㎜ 웨이퍼 공장에서 개발한 제조 기술을 활용한다.

따라서 ST는 두 개의 웨이퍼를 매우 효율적으로 제작하고 결합해, 글로벌 셔터 모드에서만 지원되는 유사한 5메가픽셀 CMOS 센서와 비교해도 경쟁력을 유지하면서 두 가지 셔터 모드를 제공할 수 있다.

또한 3D 스태킹 기술을 통해 센서 내에 추가 회로 및 온칩 처리 기능을 직접 내장할 수 있어, 호스트 프로세서의 부하를 줄이면서 향상된 기능과 성능을 제공하는 더욱 스마트한 이미지 센서를 구현할 수 있다.

예를 들어 VD1943 및 VB1943 RGB-IR 모델 제품에서 사용 가능한 RGB-IR 변환 및 스마트 업스케일 기능이 있다.

■ 원활한 컬러 및 적외선 이미지 처리

○ 단색에서 RGB-IR로

이 센서 시리즈는 특정 애플리케이션 요건을 해결하기 위해 두 가지 색상 변형 제품을 제공한다.

VD5943과 VB5943은 고품질 흑백 이미지를 제공하며, 머신 러닝 알고리즘 및 그레이스케일 이미지 처리에 의존하는 인라인 제품 검사와 바코드 판독과 같은 사용 사례에 매우 적합하다.

반면, VD1943 및 VB1943은 기존 RGB 서브픽셀에 근적외선(NIR) 서브픽셀을 추가로 갖춘 독보적 픽셀 구조가 특징이며, 글로벌 셔터 모드와 롤링 셔터 모드 모두에서 성능을 향상시킨다.
 

글로벌 셔터 모델에서는 중요한 정보를 캡처하기 위해 근적외선 서브픽셀이 더 오래 노출되므로, VD1943 및 VB1943은 전용 흑백 이미지 센서와 동등한 정확도로 근적외선 이미지를 생성한다.

이는 보안 및 전자식 통행료 징수와 같이 컬러 및 흑백 이미지 처리가 모두 필요한 애플리케이션에 단일 장치 솔루션을 제공한다.

하지만 기업이 하나의 기기만 인증하려는 경우 VD1943을 선택하면 정확한 추론을 도출하는 고품질 흑백 이미지를 계속 이용할 수 있다.

롤링 셔터 모드에서는 NIR 서브픽셀이 색상 정확도에서 중요한 역할을 한다.

적색 픽셀도 근적외선 파장에 민감하기 때문에 색상 재현을 왜곡할 수 있기 때문이다.

외부 IR 차단 필터나 복잡한 처리에 의존하는 대신, ST의 센서는 NIR 서브픽셀 데이터를 사용해 다른 컬러 채널에서 적외선 성분을 분리하고 제거하면서 더 정확한 색상 재현도, 향상된 신호 대 노이즈 비율, 이미지 품질의 전반적 향상을 구현한다.

○ 컬러/적외선 자동 전환

ST 센서 시리즈의 RGB-IR 버전은 온칩 RGB-IR 분리 기능을 갖춰 외부 컴패니언칩이 필요 없고 시스템 설계를 크게 간소화한다.

이 통합은 또한 디모자이킹 기능을 내장하여 소프트웨어 복잡성을 줄이고 처리 부담을 절감한다.

센서는 구성 가능한 출력 포맷을 다양하게 지원하며, 최대 해상도5MP RGB-NIR 4×4 픽셀 그룹화, 네이티브 5MP RGB Bayer 패턴, 1.27MP NIR 서브샘플링, 5MP NIR 스마트 업스케일 모드 등이 있다.

각 채널에 대해 독립적인 노출 제어도 가능하다.

스마트 업스케일 기능은 컬러 및 근적외선 이미지 처리를 위한 최대 5MP 해상도를 보장하며, 성능 저하 없이 고충실도 데이터 스트림을 제공한다.
 

또한, 사용자는 단일 레지스터 설정으로 컬러 및 NIR 출력을 손쉽게 전환하여 다양한 애플리케이션 요건에 신속하게 대응할 수 있다.

이 포괄적인 온칩 통합은 부품원가(BOM)를 절감하고, 소프트웨어 개발을 단순화하며, 전체 시스템의 유연성 및 성능을 향상한다.